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亲水改性超薄平板热管传热性能

化工进展 2023年第2期42卷 692-698页

作者：杨茂飞李金旺周刘伟南京航空航天大学航天学院江苏南京211106

高性能电子器件的发展需要厚度更薄、传热性能更高的传热装置。热管依靠内部工质相变潜热来传递热量,具有热导率高、均温效果好等特点,广泛应用于电子器件的散热。本文制作了厚度为0.6mm的超薄平板热管,热管壳体内部和铜丝网均作亲水改... 详细信息

高性能电子器件的发展需要厚度更薄、传热性能更高的传热装置。热管依靠内部工质相变潜热来传递热量,具有热导率高、均温效果好等特点,广泛应用于电子器件的散热。本文制作了厚度为0.6mm的超薄平板热管,热管壳体内部和铜丝网均作亲水改性处理,丝网加工出蒸汽通道来实现气液共面以降低流动阻力。搭建热管性能测试平台,在自然对流冷却条件下研究去离子水、乙醇两种工质和不同充液率对超薄平板热管传热性能的影响。结果表明:经过化学改性改善了管壳和铜丝网对去离子水的浸润性,同时提高了铜丝网的毛细力,亲水改性后去离子水热管热导率相比改性前提升了19.53%;两种工质填充的热管的最佳充液率都是1.0,在控制蒸发段最高温度小于80℃的情况下允许输入的最大功率为6W;去离子水填充的热管表现出更好的热性能。

关键词：超薄平板热管改性充液率传热性能传热

超薄平板热管传热传质过程特性及其在燃料电池热管理中的应用研究

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超薄平板热管传热传质过程特性及其在燃料电池热管理中的应用研究

作者：李德强华南理工大学

学位级别：硕士

超薄平板热管作为一种高效的传热元件,能有效解决受限空间内高热流密度设备的散热问题,具有广阔的应用前景。随着超薄平板热管厚度不断减薄,其传热性能恶化,为满足高热流密度设备的散热需求,开展超薄平板热管传热传质特性及强化传热研... 详细信息

超薄平板热管作为一种高效的传热元件,能有效解决受限空间内高热流密度设备的散热问题,具有广阔的应用前景。随着超薄平板热管厚度不断减薄,其传热性能恶化,为满足高热流密度设备的散热需求,开展超薄平板热管传热传质特性及强化传热研究具有重要意义。本文从理论分析、实验测试、可视化研究等方面对超薄平板热管传热传质特性进行研究,优化超薄平板热管结构尺寸设计,并将其成功应用于质子交换膜燃料电池热管理。基于导热和工质相变传热传质理论,建立超薄平板热管理论分析和热阻网络模型,确立超薄平板热管传热极限制约因素及热阻占比;通过构建吸液芯结构模型,解释工质毛细回流机理及毛细极限影响因素;结合理论分析,讨论了吸液芯和蒸汽腔厚度减薄对其传热性能的影响。结果表明,横向传热超薄平板热管传热极限由毛细极限决定,毛细压力大小与吸液芯间隙有关;其热阻主要来自蒸汽腔,蒸汽腔热阻占比超过50%,其临界厚度为0.3 mm。为进一步探究超薄平板热管传热机理,设计并制造了可视化超薄平板热管,通过观测吸液芯层液面变化及蒸汽腔内工质流动特性,研究其在不同充液率及不同工质下的传热性能。可视化结果进一步揭示了吸液芯毛细压力变化及工质分布对传热性能影响。工质刚好填充吸液芯为最佳充液,工质性质对传热极限具有较大影响。根据燃料电池堆的结构尺寸设计制造了两块厚度均为1.3 mm不同长宽比的超薄平板热管,采用模拟电池产热、散热的方式,对其在不同倾角、不同冷却外部条件影响下的传热性能进行研究。对比两种不同尺寸超薄平板热管,等效传热长宽比更小的超薄平板热管性能更好,壁面最大温差为1.9℃,最小热阻为0.037℃/W,更适用于质子交换膜燃料电池热管理。根据超薄平板热管研究结果,设计制造了超薄平板热管质子交换膜燃料电池堆,成功将超薄平板热管应用于质子交换膜燃料电池热管理。采用超薄平板热管后,电池堆的内部温度分布更加均匀,单电池平面内温差降低到0.4℃;与普通电池堆相比,在35 A额定电流下,输出功率提升7.2%。

关键词：超薄平板热管热管理传热性能可视化质子交换膜燃料电池

基于超薄平板热管复合相变材料的动力电池热管理系统研究

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基于超薄平板热管复合相变材料的动力电池热管理系统研究

作者：康文权华南理工大学

学位级别：硕士

拥有体积小、重量轻、能量高等优点的储能器件,锂离子电池作为核心部分在电动汽车行业得以广泛应用。然而锂离子电池的工作性能和使用安全对于工作温度十分敏感,特别是过高的温度不仅会导致电池性能严重下降,而且容易产生电池热失控引... 详细信息

拥有体积小、重量轻、能量高等优点的储能器件,锂离子电池作为核心部分在电动汽车行业得以广泛应用。然而锂离子电池的工作性能和使用安全对于工作温度十分敏感,特别是过高的温度不仅会导致电池性能严重下降,而且容易产生电池热失控引发的火灾、爆炸等事故,因此开发出高效的电池热管理系统是保证电池高效、安全运行的重要前提。基于相变传热技术的电池热管理系统具有良好的应用前景,针对目前电池热管理系统存在的不足,本文提出了高效传热超薄平板热管及高潜热值、高热导率复合相变材料的制造,并对其电池热管理效果进行研究。本文首先提出了厚度为0.54mm的超薄平板热管的结构设计及制造工艺,并对多蒸汽通道结构吸液芯进行了亲水性和毛细性能表征及热管的相变传热性能进行测试。结果表明吸液芯蒸汽通道宽度为0.25mm的超薄平板热管在水平测试状态下极限传热功率为20W,等效热导率达18161.8W/m·K。然后设计了基于超薄平板热管的三元动力锂电池单体的电池热管理系统,结果表明超薄平板热管具有很好的热管理效果。其次,本文对石蜡/膨胀石墨复合相变材料进行制备,并对其相关热物性进行研究。结果表明复合相变材料的潜热值石蜡的质量占比成正比;热导率值与膨胀石墨的质量占比成正比、与复合相变材料压实密度成反比;泄漏率与膨胀石墨质量占比成反比、与压实密度成正比,最终选择石墨质量占比为20%、压实密度为1000kg/m的复合相变材料进行电池热管理。最后,本文设计了一种基于超薄平板热管复合相变材料的18650电池热管理系统,并通过实验对其散热性能进行测试。结果表明仅依靠相变材料对电池热管理,只能满足1C、2C和3C低放电倍率单次充放电循环的散热需求,通过增加超薄平板热管对相变材料进行散热,能有效解决相变材料热量积累问题。复合热管理系统在4C放电倍率连续四次循环工作状况下,能够将电池温度控制在43℃内,温差仅为2.52℃。

关键词：锂离子电池相变传热超薄平板热管复合相变材料热管理系统

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丝网吸液芯超薄平板热管蒸汽流阻特性研究

丝网吸液芯超薄平板热管蒸汽流阻特性研究

作者：方亚楠南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着电子设备的高性能化、高集成化,设备自身的体积越来越小,热流密度越来越高,这对电子设备的热管理有了更高的要求。超薄平板热管作为一种利用工质相变进行潜热换热的高效散热元器件,已广泛应用在移动电子设备中。近年来各移动通讯厂... 详细信息

随着电子设备的高性能化、高集成化,设备自身的体积越来越小,热流密度越来越高,这对电子设备的热管理有了更高的要求。超薄平板热管作为一种利用工质相变进行潜热换热的高效散热元器件,已广泛应用在移动电子设备中。近年来各移动通讯厂商发布的高端手机、个人电脑等都采用了超薄平板热管作为散热系统的主要元件,随着设备的小型化作为众多散热系统主要元件的超薄平板热管的厚度也将越来越薄。目前,超薄平板热管还没有一个准确的设计方法和传热性能评估准则。从现有研究来看,使用传统热管设计计算方法预测的最大传热功率与实际功率并不相符,超薄平板热管内的流动和传热机理尚不清晰。超薄平板热管整体厚度的减小使得内部蒸汽腔空间缩小,蒸汽腔通道由常规通道变为微通道,微通道的微尺度效应使得蒸汽流动机制及其流阻关系与常规尺度有所偏差。另外,吸液芯结构的存在也会加剧这一偏差。因此,为了适应平板热管超薄化的发展趋势,为超薄平板热管的设计和性能评估提供理论基础,本文对超薄平板热管的蒸汽流阻特性进行了研究,提出了毛细极限的修正模型,并基于此开发了超薄平板热管传热极限计算软件,主要工作如下:首先,本文以丝网吸液芯为典型吸液芯结构建立了超薄平板热管蒸汽腔三维实体模型,忽略了热管的传热和吸液芯中液体的影响,对蒸汽流阻进行了数值研究,得到了不同厚度、不同蒸汽流量、不同规格吸液芯的压降并对其进行分析。发现在超薄厚度下,传统流阻关系式与实际值有很大误差。超薄平板热管的厚度减小会大幅增加蒸汽流速,高速蒸汽流中的惯性损失是流阻的主要部分。另外,丝网结构的存在会使主流下方的过渡区域更大,过渡区流体微团的横向迁移造成的动量交换也会加剧流阻的增加。为修正这一误差,引入了表征流体性质的蒸汽腔雷诺数和表征通道结构特征的通道高度比这两个无量纲参数,通过非线性拟合得到了无量纲流阻关系式。其次,搭建了超薄平板热管流阻测试实验台,对蒸汽的流阻进行测试,得到了不同流量、不同规格丝网结构、不同厚度蒸汽腔的压降数据。实验结果分别与仿真结果、热管测试数据和理论公式计算数据进行交叉对比,验证了数值仿真数据的准确性。最后,利用本文提出的流阻计算关系式对超薄平板热管传热性能评估中最重要的毛细极限计算模型进行了修正。基于VC6.0平台开发了能够适用于超薄平板热管传热极限的工程应用软件,使用软件计算了参考文献中超薄平板热管样件的传热功率,与文献中测量的传热功率值进行了对比,结果显示本文提出的修正计算模型对超薄平板热管传热性能的评估比传统计算模型更为准确。

关键词：超薄平板热管丝网吸液芯流阻特性数值研究工程应用软件

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烧结多孔槽道吸液芯超薄平板热管的传热性能

化工学报 2019年第4期70卷 1349-1357页

作者：朱明汉白鹏飞胡艳鑫黄金广东工业大学材料与能源学院广东广州510640 华南师范大学先进光电子研究院广东广州510640

设计并制作了总厚度为0.85 mm的超薄平板热管,热管的毛细芯采用烧结多孔槽道结构,实现了槽道和多孔结构的结合,根据该结构制作了一个铝制模具。该热管设计结合了超薄化和易制作的特点,对热管性能测试搭建了实验平台,分析了加热功率、铜... 详细信息

设计并制作了总厚度为0.85 mm的超薄平板热管,热管的毛细芯采用烧结多孔槽道结构,实现了槽道和多孔结构的结合,根据该结构制作了一个铝制模具。该热管设计结合了超薄化和易制作的特点,对热管性能测试搭建了实验平台,分析了加热功率、铜粉粒径、槽道数目对热管热性能的影响,热阻和最大传热能力用来表征热管的性能。结果表明在加热功率为14 W时,放置铜板和热管的加热铜块温度分别是102℃和66℃,热管有效降低了热源温度;当铜粉粒径较大时热管的热阻和传热极限也较大,粒径减少时出现相反现象。相比单槽道结构,双槽道结构出现了更低热阻,两者最小差异为21%。

关键词：超薄平板热管烧结多孔槽道结构传热铜粉粒径热性能实验验证

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纳米修饰吸液芯超薄平板热管的传热特性

化工学报 2017年第12期68卷 4508-4516页

作者：刘昌泉尚炜赵举贵纪献兵吴新明徐进良华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室北京102206

研制了一种总厚度为1.30 mm的新型超薄平板热管(UTFHP),其内部吸液芯是多孔介质底层(PL)和多孔介质丝(PW)组成的多尺度复合结构。经过化学改性处理,吸液芯表面生成纳米结构,具有超亲水特性。对热管的热性能进行实验研究,分析纳米结构、... 详细信息

研制了一种总厚度为1.30 mm的新型超薄平板热管(UTFHP),其内部吸液芯是多孔介质底层(PL)和多孔介质丝(PW)组成的多尺度复合结构。经过化学改性处理,吸液芯表面生成纳米结构,具有超亲水特性。对热管的热性能进行实验研究,分析纳米结构、充液比以及角度对热性能的影响。结果表明,充液比为25%时,与未改性的热管相比,改性热管的临界热通量(CHF)提高了255%、总热阻最大可降低43.2%;纳米结构降低了冷凝段热阻,但在小功率时增大了蒸发段热阻。在高充液比时,纳米结构抑制热管的传热性能。角度对热管的热性能影响较大,当蒸发段位于冷凝段的正下方时,热管的热性能最佳。未改性和改性的热管都具有良好的传热特性,最高功率分别为83.7和44.3 W。

关键词：超薄平板热管多尺度多孔介质纳米结构热性能相平衡充液比倾角

超薄平板热管的热阻与沸腾气泡可视化实验研究

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江西师范大学学报（自然科学版） 2019年第6期43卷 551-558页

作者：简弃非祖帅飞廖小南华南理工大学机械与汽车工程学院

鉴于无法观察到封闭热管内部气泡生长,设计制作了一种腔体厚度约为1 mm的双层丝网芯的超薄平板热管,进行了可视化的实验研究.实验结果表明:热阻值在1.2~1.7℃·W^-1之间波动,在15 W热负荷下的最佳充液率为25%左右.可视化结果表明:气泡... 详细信息

鉴于无法观察到封闭热管内部气泡生长,设计制作了一种腔体厚度约为1 mm的双层丝网芯的超薄平板热管,进行了可视化的实验研究.实验结果表明:热阻值在1.2~1.7℃·W^-1之间波动,在15 W热负荷下的最佳充液率为25%左右.可视化结果表明:气泡主要在丝网交叉的缝隙中形成,在微液层中,气泡受到丝网的阻碍作用而呈现出形状不规则的生长状况.与开放空间相比,气泡无法沿腔体厚度方向扩张,以扁平气泡形状沿轴向生长.当热负荷增大时,会出现气泡破裂的冲击现象.

关键词：超薄平板热管充液率可视化丝网芯

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超薄平板热管的制备及其传热性能研究

超薄平板热管的制备及其传热性能研究

作者：张寒南京航空航天大学

学位级别：硕士

平板热管作为一种采用潜热交换的相变冷却形式,传热效率高、导热性能强、均温性好、稳定性好、寿命长,成为航空航天领域内解决散热问题的极佳选择。近年来,航空发动机中电子元器件逐渐向小型化、高集成化、高性能化和轻薄化方向发展,受... 详细信息

平板热管作为一种采用潜热交换的相变冷却形式,传热效率高、导热性能强、均温性好、稳定性好、寿命长,成为航空航天领域内解决散热问题的极佳选择。近年来,航空发动机中电子元器件逐渐向小型化、高集成化、高性能化和轻薄化方向发展,受到电子元器件尺寸以及表面温度均匀性的限制,促使着平板热管向超薄化方向发展,并逐渐受到重视。超薄平板热管外壳表面积较大、形状灵活可调,更容易与传热平面实现良好的接触,达到有效传热的目的。近几年在航空发动机中电子元器件散热上得到越来越多的关注与应用,成为研究与开发的热点。实际应用中通常将厚度小于2mm的热管称为超薄平板热管。本文尝试结构设计,加工制作了厚度为0.65mm的紫铜材质超薄平板热管,并对其做了传热性能研究。以验证此类超薄热管的使用可行性,为超薄平板热管在航空发动机电子元器件中的应用提供基础,具有重要的现实意义。主要工作内容如下:首先,设计了超薄平板热管。确定了热管的管壳材料、工作液体以及内部毛细芯后,对热管的内部结构进行了设计。在其中一块管壳上刻蚀出直径为1mm,圆心之间间距为3mm的按叉排排布的支撑柱,在内外压差作用下起到支撑热管内部蒸汽空间的作用。然后对所设计的热管进行了结构设计数值研究,以探究此结构设计是否可以使得热管结构满足强度要求。并且探究了热管结构的参数设计对热管力学性能的影响规律,为以后超薄平板热管的优化设计提供基础。其次,对设计的热管进行了传热性能理论分析。传热性能理论分析得到热管的传热极限的最小值为毛细极限,并以此值对后续实验结果进行验证。然后介绍了加工制作过程,其制作工艺流程有管壳的加工、管件清洗、焊接、检漏、抽真空注液等。最后,确定实验方案,设计搭建了超薄平板热管的传热性能测试实验装置,并对其进行了传热性能研究。测试了不同工作条件下热管的外壁面轴向温度分布;分析了热管水平放置时变功率下的启动特性;将理论传热极限值验证了实验传热极限值;以热管热阻作为热管传热性能的评价参数,将热管与同尺寸的铜片进行了传热性能对比;分析了加热功率、工作倾角、充液率对热管传热性能的影响;最后对热管做了径向均温性能研究。实验结果分析可以看出热管在不同的加热功率下,启动特性有所不同。加热功率越大,热管的启动速度会更快,而且热管冷凝端的启动过程时间上会比加热端有所延迟;热管的实际实验最大传热极限与理论传热极限值存在误差,比理论值偏小;相比于同尺寸铜片,该超薄平板热管的热阻减小了一半,传热性能更强,热管的热导率达800 W/m?K;当工作倾角为90度时,热管传热性能最好;热管最佳充液率为1.05;热管的最佳运行功率范围在7.1W-13.7W左右,最大传输功率为20.16W;径向均温性能测试发现热管在低加热功率时呈现出很好的均温性,随着加热功率的增大,热管上表面仍呈现出很好的均温性,而下表面的均温性逐渐变差。

关键词：超薄平板热管结构设计数值研究加工制作传热性能

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超薄平板热管的制作工艺及其传热性能研究

超薄平板热管的制作工艺及其传热性能研究

作者：朱明汉广东工业大学

学位级别：硕士

随着电子设备的日益发展,微型化、高性能成为核心的技术点。但是所带来的热流密度增大问题,会导致电子设备的性能出现明显下降甚至出现失效,因此需要更加高效的散热方式。热管作为一种相变传热元件,由于其优异的性能被越来越多的应用于... 详细信息

随着电子设备的日益发展,微型化、高性能成为核心的技术点。但是所带来的热流密度增大问题,会导致电子设备的性能出现明显下降甚至出现失效,因此需要更加高效的散热方式。热管作为一种相变传热元件,由于其优异的性能被越来越多的应用于高性能电子设备上。其中厚度小且性能优异的超薄平板热管更能有效地解决狭窄空间的散热问题。本文针对平板热管散热的研究,首先探讨了毛细芯结构、成形工艺、毛细芯工艺参数并综述了国内外研究进展。从使用背景和实际生产工艺出发设计并制作了一种采用槽道多孔结构的超薄平板热管,详细的介绍了制作流程,并通过实验得到了两种不同冷却形式下超薄平板热管的传热性能。主要工作包括:(1)对毛细芯结构进行了介绍并选择铜粉作为槽道多孔结构的主体材料,对槽道多孔结构应用于热管进行可行性设计和制作。制作了厚度为2.5 mm的铜-水超薄平板热管。在热管底板上烧结有槽道多孔结构,该结构可以使气态工质和液态工质沿着长度方向分开流动,减少剪切力,同时该结构本身亦可以作为支撑结构,减少支撑柱的摆放,具有结构简单、制作方便的特点。通过浸泡介质法计算了不同粒径毛细芯的孔隙率,并通过扫描电镜对其进行表面观测,对毛细芯的毛细力和渗透率进行了简单的分析。对超薄平板热管的制作步骤进行研究和优化,根据本文所提出的平板热管制定了详细的制作工艺路线。(2)研究了水循环冷却下加热功率、铜粉宽度和槽道宽度比例、铜粉粒径对热管性能的影响。实验结果表明:本文所提出的超薄平板热管在加热功率改变后能在10分钟左右重新达到稳定状态,说明热管具有良好的响应性能。铜粉宽度和槽道宽度比例过大或者过小都会影响热管性能,前者影响蒸汽排出阻力,后者主要影响蒸发面积和内部压强。对于铜粉粒径,大粒径热管的热阻和传热极限均大于小粒径热管。大粒径热管的热阻和传热极限分别是0.079°C/W、80 W,而小粒径热管的热阻和传热极限分别是0.049°C/W、60 W。(3)研究了自然冷却下加热功率、倾斜角、表面特性对热管性能的影响。实验结果表明:加热功率改变后,热管的轴向温度分布不随轴向单调递减,热管冷凝段尾部会出现温度先升后降的情况。倾斜角对热管蒸发段温度的影响主要是由于自然对流换热系数的变化,而轴向温差主要是由于重力对冷凝段液态工质回流的影响。在自然冷却下可以通过提高热管表面的发射率改善热管性能,在加热功率为9 W时,蒸发段温度能下降10.3°C。

关键词：超薄平板热管槽道多孔结构传热性能铜粉粒径冷却方式